基于104协议与PI实时数据库的电力远动监控平台建设

王迎迎，陈 凯， 吴春年， 沈备军

（1.台州发电厂，浙江 台州 318016；2.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）

电力信息化

基于104协议与PI实时数据库的电力远动监控平台建设

王迎迎1，陈 凯2， 吴春年1， 沈备军2

（1.台州发电厂，浙江 台州 318016；2.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）

近年来，越来越多的地区电网采用电力远动协议在调度中心与地方厂站之间以报文形式进行信息传输，为避免因报文发送错误、数据传输失败、报文解析出错等原因造成生产事故，急需一套第三方监控平台对电力实时数据进行监控和管理。另外，地方厂站也需要第三方平台为业绩指标分析和远动装置故障分析提供数据支撑。研究开发了一套基于IEC 104协议与PI实时数据库的电力远动监控平台，在厂站端从交换机镜像端口实时采集各项业务数据并保存到PI数据库，通过设置模型判据实现数据的报警与提示，通过对保存的大数据进行追忆和分析，预先找到可能存在的问题，以第三方视角对系统、设备、通讯等多方面进行模型比对和数据分析，把被动的维护工作向主动的量化管理推进，

104协议；PI；监控平台；远动；大数据；实时处理；实时数据库

0 引言

进入21世纪后的第二个十年以来，国家电网容量剧增，同时省调主站端自动化业务数据流量也呈几何式增长。电网的数据质量需要调度来进行分析和研判[1]，内容包括：如何及时判别电厂侧远动装置存在缺陷，如何快速发现调度网通道数据存在质量的问题等。因此，需要在发电厂侧建设远动监控管理平台，更好地传送准确可靠的实时数据。

IEC 60870-5-104协议（以下简称104协议）是由IEC（国际电工委员会）在IEC 60870-5-101基本远动任务配套标准的基础上改进而来。104协议使用的是平衡传输模式，并通过TCP/IP协议实现信息传输。使用104协议部署远动系统具有实现简便、开发工作量小、价格低、性能好等优点，因此适用于调度中心站和远方子站之间的通讯。PI实时数据库是一套基于C/S（客户机/服务器）结构的商品化软件应用平台，由OSIsoft公司开发，早期用于存储弹道导弹飞行信息，因此对数据的实时处理能力十分出众，之后衍生出的工作化版本逐渐成为过程工业全厂信息集成的必然选择。因此，急需研发一套基于IEC 104协议与PI实时数据库的电力远动监控平台，在厂站端根据交换机镜像端口实时采集并保存各业务数据，通过设置模型的判据实现对实时数据的报警与提示，通过对保存的大数据进行细致的追忆和分析，预先找到可能存在的问题，以第三方视角对远动装置本身、一次设备干扰、通道讯等进行模型比对、分析。同时结合台州发电厂远动（自动化）日常监控工作，进一步提高发现问题的能力，把被动的维护工作往量化管理推进。

1 104协议原理与实现

1.1 概述

IEC 104协议作为一种电力远动协议方面的国际标准，具有实时性好、可靠性高、数据流量大、便于信息量扩充、支持多类网络传输等优点，相对于它的前身IEC 101协议，IEC 104协议涵盖了保护信息丢失方面的定义[2]。IEC 101协议由于未采用APCI（应用规约控制信息），其应用APDU（规约数据单元）等同于ASDU（应用服务数据单元）。IEC 104协议给出了APCI的定义，并加入防止报文丢失和重复的控制信息[3]。

IEC 104协议使用了OSI模型7层中的5层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层来实现数据传输。

1.2 协议的实现要点

IEC 104协议在实现过程中需要区分主站（中心站）与子站（远方站）。主站在协议应用过程中起主导作用，是整个通讯网络的核心；而子站相对于主站，是一个数据生成的源头，它响应主站的请求，把本地采集的实时数据通过IEC 104协议格式加密后传给主站。一次主站请求数据的过程如下[4]：

（1）主站下发遥控预置命令；

（2）子站进行遥控预置确认；

（3）主站收到子站确认后下发遥控执行命令；

（4）子站进行遥控执行确认；

（5）子站向现场设备下发执行遥控命令；

（6）现场设备进行遥控执行确认；

（7）现场设备进行遥信变位；

（8）子站向主站上传遥信变位信息。

IEC 104协议的主站和子站之间通信采用网络传输层的可靠传输协议TCP，主站为TCP客户端，子站为TCP服务器端，即主站主动进行TCP连接请求，而子站被动响应TCP连接请求。

IEC 104协议共分4类超时时间，分别是：TCP连接建立超时时间；RTU（远程终端）等待U格式测试应答超时时间；RTU端等待主站端应答突发传送的超时时间；RTU端和主站端之间没有实际数据交换时，任何一端启动U格式测试过程的超时时间。一旦超时则自动断开TCP连接。

IEC 104协议采用平衡传输方式，当主站端没有进行数据召唤，而RTU端中有变化数据时，RTU要主动上送变化数据。

主站端下发单点遥控选择，RTU端进行单点遥控选择应答和主站端下发基本相同，RTU端进行单点遥控执行应答和主站端下发基本相同。主站端下发单点遥控执行和选择报文基本相同[5]。

1.3 协议的通信要求

IEC 104协议的通信要求如下[6]：

（1）IEC 104协议应以子站为服务端，以主站为客户端。

（2）主站端应实现对来自网络和常规方式的数据信息进行自动判断、切换、处理，以保证数据的唯一性。

（3）在多客户访问的情况下，IEC协议可以通过MAC地址和IP地址划分控制安全级别，如果服务端发现IP重复，拒绝控制命令的执行。

（4）为保证网络运行的安全、稳定、可靠，在主站端对以网络方式通信的子站单独进行画面、数据库、报表的定义。

满足以上4点通信要求，基于IEC 104协议的远动通信系统即可成功部署。总体而言，IEC 104协议对通信环境的要求并非很高，面对如今日益复杂的网络环境，IEC 104协议信息传输确实存在安全隐患，陈国华讨论了远动IEC 104协议的安全隐患及防护技术[7]。

2 电力远动监控平台的设计

2.1 平台架构

远动监控管理平台采用B/S（浏览器/服务器）模式，以PI实时数据库为数据保存平台，进行通讯数据抓取、解析、统计分析和可视化展示。电力远动监控平台的架构如图1所示。平台主体由2部分组成，分别是：用于获取报文数据信息的前置机部分；用于数据显示、数据分析的可视化分析系统。前置机与可视化分析系统之间通过PI数据库作为数据中介进行数据传输。

图1 远动监控平台架构

2.2 前置机

出于信息安全性考虑，前置机部署在台州发电厂远动机房，该机房为局域网性质，不与外网连通。前置机只与发电厂PI数据库和从省调到发电厂的镜像数据通道连通，从镜像数据通道读取实时数据，这些数据以IEC 104协议格式传输。前置机负责解析这些报文，逐帧逐字节至位按照规约文本的含义进行透彻解析，还原出真实数据，如：遥信状态、遥信变位及SOE（事件顺序记录）信息、遥测值、遥测变化、电量、对时、遥控、遥调等。解析到的信息采用单帧树状显示，并上传至发电厂的PI数据库。前置机通过通道数据监察能实时监视报文通讯情况，及时发现诸如一次设备测点有没有受干扰、越限、变位等，通道内有没有垃圾通讯信息等异常情况（见图2）。

图2 前置机界面

2.3 可视化分析系统

可视化分析系统负责分析省调和发电厂远动主机的通道数据，监测上下行报文，查看不同规约的多个通道的遥测、遥信、电量等信息，及时发现故障并进行报警。所采用的分析技术包括统计分析、对比分析、基于规则的故障发现等技术。系统根据远动设备情况，通过一次设备、设备属性和测点方式来组织设备资产信息，并通过远动通道的测点数据进行关联，从而更好地掌控远动设备信息。

系统以图形组态方式来显示电气接线图，可随时进行AGC（自动发电控制）、负荷跟踪比对，可随时实现线路、断路器、隔离开关等多种状态跟踪，并及时向用户报警以便尽快处理。

3 基于PI的大数据实时处理

3.1 实时数据库PI概述

PI（Plant Information System）是由美国OSIsoft公司开发的一套商品化软件应用平台，是过程工业全厂信息集成的必然选择。PI基于C/S结构搭建，作为工厂底层控制网络与上层管理信息系统网络连接的桥梁，在工厂信息集成中扮演着特殊和重要的角色[8]。

一方面，PI用于工厂数据的自动采集、存贮和监视。作为大型实时数据库和历史数据库，PI可在线存贮每个工艺过程点的多年历史数据，它提供了清晰、精确的操作情况画面，用户既可浏览工厂当前的生产情况，也可回顾过去的生产情况。

另一方面，PI为最终用户和应用软件开发人员提供了快捷高效的工厂信息。PI客户端的应用程序可使用户对工厂级和公司级实施管理，通过PI可集成产品计划、维护管理、专家系统、LIMS（实验室信息管理系统）和优化/建模等应用程序。PI在业务管理和实时生产之间起到桥梁作用[9]。

3.2 基于PI的实时数据处理

电力远动监控平台以PI数据库作为数据中介，因此PI数据库的性能对于整个系统有着至关重要的影响。将台州发电厂的设备信息汇总后根据IEC 104协议制定成测点表，主要分遥调测点、遥测测点、遥信测点3类，并在PI数据库中以测点的形式保存设备数据信息。前置机方面解析报文后，将报文相关测点的最新数据上传到PI数据库端，而在可视化分析系统端，主要根据用户的请求来对PI数据库中的信息进行读取与分析。

基于PI的实时数据处理具有以下优势：

（1）读写数据速度快，单机测点数规模达400万点，存储能力达10～15万个事件/s，数据访问能力达100万个事件/s。

（2）数据存储效率高、占用空间小，PI数据库采用旋转门压缩专利技术和二次过滤技术，使进入到PI数据库的数据得到最有效的压缩，极大节省了空间。

（3）分布式服务器结构，提供成熟的接口，分布式数据采集结构、集中式数据管理方式等，使数据来源复杂而又分散的问题得到解决。

（4）支持集团化应用，数据可以分散存储在不同地点或不同区域的服务器上，便于集团化企业构建生产实时管理系统。

（5）具有极高的安全性和良好的安全机制。

4 电力远动监控平台的建设实施

4.1 主要目标

随着电力通信网络技术的发展，为满足浙江电网未来10～20年电网安全运行和电力市场运作的要求，深入贯彻电力系统网络化，发展智能电网[10]，结合浙江电网通信现状，在保证集控站系统、调度自动化系统稳定运行的前提下，建立一套第三方电力远动监控平台，实现对远动通信数据的实时监控与存档，预防生产事故的发生，以及在事故发生后通过对平台收集数据的分析，能够明确责任所在。

4.2 实施过程

（1）向省级调度中心申请开通数据镜像口许可，并在发电厂远动机房配置前置机，负责报文数据的采集、解析、向PI数据库端存储数据。

（2）配置IEC 104监控的遥测、遥信、遥控测点，并在发电厂自动化装置至省调通信处理机之间进行遥测、遥信、遥控测点的核对工作，将测点信息正确存入PI实时数据库，保证自动化设备到通信处理机的数据传输正确、可靠。同时设置通信处理机的IP地址，将设备数据库文件以及基于IEC 104协议的解析程序固化于处理机中。

（3）省调主站端和发电厂远方子站端双方将IEC 104协议文本进行程序的编制解释，实现对IEC 104协议报文的读取、解析并存入PI实时数据库。并选取部分测点进行调试，调试的对象数据为发电厂7—10号发电机组的发电功率数据。

（4）设计UI界面、报警机制、功能模块，从PI实时数据库中读取测点数据进行展示与处理，实现一个可视化分析系统。

（5）调通所有模块，进行试运行。

4.3 运行情况

电力远动监控平台于2015年4月30日投入试运行，期间在省调与发电厂站进行数据传输时，系统从通道数据镜像口读取报文进行解析并将有用信息存入PI数据库，积累原始数据。在一年多的试运行期间，平台稳定可靠，数据实时性好。平台不仅能实时监察远动三级网报文传送信息，通过大数据分析快速排查出故障，而且能追溯电量考核数据，分析考核不佳的根源，达到了预期目标。

5 结语

基于IEC 104协议和PI实时数据库开发了一套电力远动监控平台。该平台经过一段时间的运行表明：采用国标IEC 104协议向地调转发数据的通讯模式实施效果好,信息容量不受限制，数据刷新快，保证了数据实时性；PI实时数据库能够应对大批量、快速刷新的报文数据存储与读取，能够满足调度监控的需要。该平台的成功实施，标志着第三方平台完全可以在不影响数据通信的情况下对电网远动数据进行采集、处理与分析，这为未来浙江省智能电网第三方数据监控平台的发展提供了理论依据与宝贵经验。

[1]董建达.一种管理友好型配电网相量量测单元优化配置模型[J].浙江电力，2016，35（7）∶8-11.

[2]汤为民.104协议的网络通信方式在汉中电网中的应用[J].西北电力技术，2004，32（4）∶103-104.

[3]闫峰，祁国成，魏凯，等.IEC 104协议在陕京一线SCADA系统中的应用[J].油气储运，2011，30（10）∶732-735.

[4]张建设，马维青，郭晋阳.IEC 60870-5-104协议在远动通信中的应用[J].电力系统自动化，2003，27（11）∶91-93.

[5]唐岳，廖力清，汪治国.IEC 60870-5-104远动规约在电网调度中的应用[J].电力系统通信，2005，26（4）∶50-53.

[6]杜龙，施鲁宁，杨晋柏.基于ICP/IP的IEC 60870-5-104远动通信协议在直调厂站中的应用[J].电力系统保护与控制，2008，36（17）∶51-55.

[7]陈国华.远动IEC 60780-5-104网络通信协议及其安全防护技术[J].电工技术，2004（6）∶7-8.

[8]王俏文，陶文伟，丁坚勇，等.基于PI数据库的供电企业实时数据中心的设计与实现[J].电力系统自动化，2009，33（6）∶99-103.

[9]方明霞.PI数据库在浙江电网的应用现状与展望[J].浙江电力，2010，29（1）∶51-54.

[10]童存智，王函韵，孙龙祥，等.湖州电网监控信息的全生命周期管理[J].浙江电力，2016，35（7）∶61-64.

（本文编辑：方明霞）

Construction of Telecontrol Power Monitoring Platform Based on IEC 104 Protocol and PI Real-time Database

WANG Yingying1，CHEN Kai2，WU Chunnian1，SHEN Beijun2
（1.Taizhou Power Plant，Taizhou Zhejiang 318016，China；2.School of Electronics，Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

In recent years，telecontrol protocols are used for information transmission between dispatching centers and local plants in the form of messaging in regional power networks.In order to prevent production accidents resulting from message signaling error，data transmission failure and message parsing，it needs a third-party monitoring platform to monitor and manage real-time data of electric power.Moreover，local plants also need a third-party platform to provide data support for performance indicator analysis and fault analysis of telecontrol devices.A telecontrol power monitoring platform based on IEC 104 protocol and PI real-time database is developed to collect service data from exchanger mirror port in power plants and store the data in PI database.Through model criterion setting,data alarming and prompt is realized;by big data review and analysis，potential problems are detected in advance.In addition，model comparison and data analysis are implemented on the system，device，communication from the third-party perspective to turn passive maintenance into active quantitative management so as to ensure operation safety and stability of power grid.

104 protocol；plant information system；monitoring platform；telecontrol；big data；real-time processing；real-time database

TM764

：B

：1007-1881（2017）03-0071-04

2016-11-09

王迎迎（1975），女，工程师，主要从事发电厂电力自动化工作。

更好地保障电网的安全稳定运行。